Yhd-12.3105 Maa- ja pohjavesihydrologia Johdanto & kertausta Teemu Kokkonen Email: etunimi.sukunimi@tkk.fi Puh. 09-470 23838 Huone: 272 (Tietotie 1 E) Vesitekniikka Ympäristö- ja yhdyskuntatekniikan laitos Aalto-yliopiston teknillinen korkeakoulu

Kurssin sisältö Viikko Aika Aihe Tyyppi 1 Ma 31.10. klo 13.15 -15.00 Kurssin esittely, kertaus (hydraulinen korkeus, Darcyn laki, tasapainotilainen pohjavesiyhtälö) Luento Pe 4.11. klo 10.15 -12.00 Hydraulinen korkeus, Darcyn laki, tasapainotilainen pohjavesiyhtälö Harjoitus 2 Ma 7.11. klo 13.15 -15.00 Aikariippuva pohjavesiyhtälö Pe 11.11. klo 10.15 -12.00 Suunnitteluharjoituksen esittely Luento / Harjoitus 3 Ma 14.11. klo 13.15 -15.00 Pe 17.11. klo 10.15-12.00 Suunnitteluharjoituksen ohjelmistot 4 Ma 21.11. klo 13.15 -15.00 Veden liike kyllästymättömässä vyöhykkeessä Pe 25.11. klo 10.15 -12.00 5 Ma 28.11. klo 13.15 -15.00 Suunnitteluharjoitus jatkuu Pe 2.12. klo 10.15 -12.00 Suunnitteluharjoitusklinikka 6 Ma 5.12. klo 13.15 -15.00 Yllätysnumero tai suunnitteluharjoitus Pe 9.12. klo 10.15 -12.00 Suunnitteluharjoitus, loppuseminaari Seminaari

Kurssin suorittaminen Harjoitukset (30 p) Suunnitteluharjoitus (30 p) Tentti (40 p)

Harjoitusaikataulu Tunnus Aihe Ohjeistus Palautuksen takaraja H1 Hydraulinen korkeus, Darcyn laki, tasapainotilainen pohjavesiyhtälö Pe 4.11. klo 10.15 -12.00 Pe 18.11. klo 9.00 H2 Aikariippuva pohjavesiyhtälö Ma 14.11. klo 13.15 -15.00 Ma 28.11. klo 9.00 H3 Veden liike kyllästymättömässä vyöhykkeessä Pe 25.11. klo 10.15 -12.00 Pe 9.12. klo 9.00

Suunnitteluharjoitus Perustuu Tuusulan vesilaitoksen Jänikselinnan tekopohjavesilaitoksen aineistoihin Kokeellinen ja haastava, mutta toivottavasti mielenkiintoinen Mallivastausta ei olemassa, katsotaan kuinka pitkälle pääsemme... Laskennassa käytetään valmista MODFLOW-ohjelmistoa Työtä on paljon ja se on loogisesti jaettavissa Suositeltava suoritustapa on ryhmätyö (4-5 henkeä per ryhmä) Halutessaan yksinkin saa tehdä Itsenäiseen ryhmänmuodostukseen aikaa perjantaihin 11.11. asti, silloin lyödään ryhmät lukkoon Loppuseminaari Pe 9.12. klo 10.15 -12.00

Optima-oppimisympäristö Kurrssille perustetaan työtila Optimaan ”Harjoitukset”-kansio Kaikki harjoitukset palautetaan Optimaan Nimeä harjoitukset seuraavasti: Sukunimi_Etunimi_MPV_HNumero.tunniste Esim. Kokkonen_Teemu_MPV_H1.xlsx, Kokkonen_Teemu_MPV_H1.docx Jokaiselle löytyy oma palautuskansio ”Harjoitukset”-kansiosta Omaan palautuskansioon on oletuksena luku- ja kirjoitusoikeus henkilöllä itsellään ja Teemulla Tänne ladataan harjoituksien palautukset ”Uusi objekti”-toiminnolla Excel- ja tekstidokumentteja

Optima-oppimisympäristö ”Suunnitteluharjoitus”-kansio Suunnitteluharjoitukselle on oma kansio kullekin ryhmälle kansiossa ”Suunnitteluharjoitus” Kansioon on luku- ja kirjoitusoikeudet oikeudet kaikilla ryhmän jäsenillä ja Teemulla Suunnitteluharjoitus-kansiosta löytyy valmiiksi kansiot ”Data”, ”Raportit”

Noppa Noppa-sivu toimii kurssin kotisivuna Harjoitukset jaetaan Nopan kautta Luennot löytyvä Nopasta Kaikkia koskevia viestejä lähetetään Noppa-uutisina Tulevathan ne kaikille sähköpostilla?

Vertaistuki Välillä kenties on tarpeen kilpailla, mutta... Kysyä sopii kenen kanssa? Voisimmeko pyrkiä saamaan aikaan mahdollisimman hyvän oppimistuloksen koko ryhmämme sisällä saavuttaen siten ehkä kilpailuetua niihin verrattuna, jotka eivät kurssia ole suorittaneet? Voisiko toimivan vertaistuen tuloksena myös yksilönkin oppimistulos parantua? Henkilö, joka hakee apua epäselvään kohtaaan, saa ohjeita Henkilö, jolle itselle asia on selvä, sen selittäminen jollekulle toiselle syventää omaa ymmärtämistä Tunnettuahan on, että opettaja monesti oppii itse kurssilla eniten... Kahden tai useamman henkilön yhdistäessä ymmärryksensä niin kullekin erikseen epäselväksi jäänyt tehtävä saattaakin avautua Hyvää fiilistä avun antamisesta ja saamisesta ei sovi aliarvioida... Työelämässä ja laajemminkin yhteiskunnassa pärjäämisen maksimoinnissakaan pelkkä oman ymmärryksen kasvattaminen toisiin nähden ei välttämättä ole paras strategia – yhteistyökykykyisiä ’joukkuepelaajia’ arvostetaan

Muu tuki Minultakin ilman muuta saa kysellä Lähiopetustilaisuuksissa ja niiden jälkeen voidaan käydä läpi harjoituksissa ja suunnitteluharjoituksessa esiin nousseita ongelmia Sähköpostillakin saa lähestyä Yksinkertaisiin kysymyksiin saatetaan vastatakin :-) Pidempää selittämistä vaativat tapaukset käsitellään suullisesti lähiopetustilaisuuksien yhteydessä, tai tarpeen vaatiessa sovitaan muu aika tapaamiselle

Jotakin arvostelusta Harjoitukset (yht. 30 p) Jokaisessa harjoituksessa on annettu kyseisen harjoituksen maksimipistemäärä Suunnitteluharjoitus (yht. 30 p) Yhteisen työn arvostelu + ryhmän sisäinen itsearvostelu Tentti (yht. 40 p) Harjoitukset ymmärtämällä selvinnee tentistäkin kunnialla

Kirjallisuutta Tuomo Karvosen www-kirja Ei enää verkossa, laitetaan luettavaksi Aalto-koneisiin Wang, H.F. and Anderson, M.P., Introduction to groundwater modelling, W.H. Freeman and company, 1982 Bear, J. and Verruijt, A., Modeling groundwater flow and pollution, Reidel, 1994 Freeze, R.A. and Cherry, J.A., Groundwater, Prentice Hall, 1979 Kirjastoista ja verkosta löytyy paljon muutakin kirjallisuutta hakusanoilla “groundwater” tai “groundwater modeling” Kertokaapa, jos löydätte hyvän! Etenkin verkosta vapaasti luettavissa oleva materiaali kiinnostaisi

Darcyn koe (Henry Darcy 1856) z1 H1 = = h1 H1 H2 DH = H1 - H2 Virtaama Q on Verrannollinen poikkipinta-alaan A Verrannollinen vedenpintojen eroon siään- ja ulosvirtaus säiliöissä DH Kääntäen verrannollinen hiekkasuodattimen pituuteen L h2=

Hydraulinen korkeus Gravitaatio: Paine: Nopeus: Engl. piezometric head, hydraulic head Energiamäärä yksikköpainoa kohden Mistä energiakomponenteista koostuu veden energiasisältö? Gravitaatio: Paine: Nopeus: Kokoonpuristumaton neste Kiihtyvyys dz / dt = v => dz = vdt

Hydraulinen korkeus Veden kokonaisenergia E [J]: Hydraulinen korkeus H [m]: p0 = ilmanpaine, sovitaan että sitä merkitään nollalla maa- ja pohjavesien liikkeissä nopeudet pieniä, jätetään tämä pois gravitaatiokorkeus Painekorkeus, merkitään h:lla

Hydraulinen johtavuus Palautetaan mieliin Darcyn koe: jossa Q on virtaama [m3/s], A on poikkipinta-ala [m2], DH on ero hydraulisessa korkeudessa [m] ja L on pituus [m] Verrannollisuuskerrointa K kutsutaan hydrauliseksi johtavuudeksi ja sen yksiköksi saadaan:

Permeabiliteetti Hydraulinen johtavuus K riippuu sekä väliaineen (permeabiliteetti) että siinä liikkuvan nesteen (viskositeetti) ominaisuuksista k = permeabiliteetti [m2] r = tiheys [kg/m3] g = putoamiskiihtyvyys [m/s2] m = nesteen viskositeetti [Ns/m2 = kg/m/s]

Darcyn laki 1D Merkitään virtaamaa poikkipinta-alaa kohden (siis Q/A) symbolilla q ja kutsutaan sitä Darcyn nopeudeksi (engl. specific discahrge) Lisäksi kun huomioidaan, että virtauksen suunta on pienenevää hydraulista korkeutta kohti, saadaan: Annetaan etäisyyden L lähetä nollaa, niin saadaan: dH / dx on hydraulinen gradientti

Darcyn laki 1D Darcyn nopeuden (q) ja keskimääräisen veden virtausnopeuden (v) välinen suhde (n on huokoisuus):

Darcyn laki 3D Homogeenisessa, isotrooppisessa tapauksessa Darcyn laki voidaan kirjoittaa kolmessa ulottuvuudessa seuraavasti:

Heterogeenisyys ja anisotropia Mikäli hydraulinen johtavuus ei riipu sijainnista pohjavesiesiintymässä, esiintymä on homogeeninen – muuten heterogeeninen Mikäli hydraulinen johtavuus ei riipu suunnasta, esiintymä on isotrooppinen – muuten anisotrooppinen Anisotropia Heterogeenisyys

Heterogeenisyys ja anisotropia

Anisotropia x y Anisotropian suunta yhtenevä koordinaattiakselien suunnan kanssa: x-suuntainen gradientti saa aikaan vain x-suuntaista virtausta Anisotropian suunta EI yhtenevä koordinaattiakselien suunnan kanssa: x-suuntainen gradientti saa aikaan sekä x- että y-suuntaista virtausta

Anisotropia y q y’ x’ x Darcyn laki yleisemmässä muodossa (2D): = 0

Anisotropia Sekä vektori q (Darcyn nopeus, ks. edellisen kalvon kuva) että gradienttivektori voidaan esittää molemmissa koordinaatistoissa – ja muuntaa koordinaatistosta toiseen lineaarisella muunnoksella